JP6407734B2 - 電気式脱イオン水製造装置の運転方法、及び電気式脱イオン水製造装置を備えた純水製造システム - Google Patents

Description

本発明は、被処理水からイオンを電気的に排除した脱塩水（処理水）を製造する電気式脱イオン水製造装置を備えた純水製造システムに関し、特に、長時間の処理水製造により低下した電気式脱イオン水製造装置内のイオン交換樹脂の脱塩処理能を再生する技術に関する。

半導体や液晶の製造プロセスでは、不純物が高度に除去された超純水を用いて、半導体ウエハやガラス基板の洗浄が行われている。こうした洗浄に用いられる超純水の製造装置として、電気式脱イオン水製造装置（以下、ＥＤＩと称する。）が利用され始めている。
従来から実用化されているＥＤＩは、基本的にはカチオン交換膜とアニオン交換膜で形成される隙間に、イオン交換体としてアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の混合イオン交換樹脂層を充填して脱塩室とし、当該混合イオン交換樹脂層に被処理水を通過させるものとなっている。当該ＥＤＩでは、カチオン交換膜とアニオン交換膜の両方を介して被処理水の流れに対して直角方向に直流電流を作用させることにより、脱塩室の外側に形成された濃縮室を流れている濃縮水中に被処理水中のイオンを電気的に排除しながら脱塩水（処理水）を製造している。また、処理水の水質を向上させるために、一般にＥＤＩの前段にＲＯ膜を設置して被処理水中のイオン成分の大部分を除去している。

しかし、ＥＤＩでは長期間の処理水製造を行なうと、電気的にイオンの排除が行なわれているにもかかわらず、イオン交換体（アニオン交換樹脂またはカチオン交換樹脂）に対する選択性が高い、または電気的に溶離しにくい炭酸イオン及びシリカ等の弱電解質並びにカルシウムイオンがイオン交換体に徐々に蓄積する。やがて、シリカや炭酸等の弱酸やナトリウムイオンが処理水に漏出して処理水の水質が低下してくる。それに伴い電気抵抗も上がり、脱塩室に作用させる電圧の上昇を引き起こす。

このようなＥＤＩの性能低下の回復を図るためには、該ＥＤＩの脱塩室に被処理水を通水することを停止し、酸性やアルカリ性の薬剤を脱塩室内に注入する方法がある。この方法によれば、アニオン交換樹脂については水酸化ナトリウム溶液などのアルカリ性薬剤を、カチオン交換樹脂については塩酸などの酸性薬剤を通すことにより、イオン交換体に蓄積されたイオンが溶離し、もとのイオン交換体に再生することができる。
ところが、上記のような薬剤でイオン交換体を再生する方法では、酸性やアルカリ性の廃液が発生してしまい、廃液を処理するには多量の中和剤が必要になる。加えて、酸性やアルカリ性の薬液を用いた作業は、作業を実施する際に危険がともなうため、頻繁には実施できないという問題がある。

一方、酸性やアルカリ性の薬剤を使わずにイオン交換体を電気的に再生する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１に記載された発明では、脱塩室内のイオン交換体を再生する場合、ＥＤＩへの被処理水の供給を停止し、この被処理水に代えて脱塩水（ＥＤＩによって製造された処理水）を、直流電流を通電しているＥＤＩの脱塩室に通水する。これにより、無負荷状態となるイオン交換体から蓄積イオンは徐々に電気的に溶離し、イオン交換体は回生される。この方法は電気再生と呼ばれている。詳述すると、直流電流を通電している脱塩室内にて水（脱塩水）の解離が進行して再生剤となるＨ^＋とＯＨ⁻が発生する。この再生剤にて脱塩室内部のイオン交換体に吸着した塩類を除去しＥＤＩの性能を維持している。

特開平１１−５７４２０号公報

しかしながら、特許文献１に記載されるように電気的にイオン交換体を再生する方法では、再生に使用する脱塩水をあらかじめＥＤＩを運転して製造しておく必要がある。したがって、ＥＤＩの運転開始から所望の水質（例えば比抵抗値）の脱塩水を製造できるまでの時間、いわゆる立ち上がり時間が短縮しにくいという問題点がある。

また、イオン交換体の再生に酸性やアルカリ性の薬剤を使用する方法では、脱塩室内部に充填されたイオン交換体が混床タイプ（アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂を混合した物）であると、次のような問題点も生じる。
イオン交換樹脂の再生に用いられる一般的な酸性薬剤としては、塩酸（ＨＣｌ）、アルカリ性薬剤としては水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）が挙げられる。混床タイプのイオン交換体に塩酸を通した場合、当該イオン交換体中のカチオン交換樹脂はＨ^＋形の再生形に変換されるが、当該イオン交換体中のアニオン交換樹脂はＣｌ⁻形の塩形に変換される。一方、混床タイプのイオン交換体に水酸化ナトリウム溶液を通した場合、当該イオン交換体中のアニオン交換樹脂はＯＨ⁻形の再生形に変換されるが、当該イオン交換体中のカチオン交換樹脂はＮａ^＋形の塩形に変換される。塩酸と水酸化ナトリウムのどちらでも、ＥＤＩを再起動する際にはどちらか一方のイオン交換樹脂は塩形からの運転となる。したがって、ＥＤＩで製造された脱塩水が純水と呼べるような水質（比抵抗値が１ＭΩ・ｃｍ以上の処理水）になるまでに多くの時間を要してしまう。

本発明は、上述した背景技術の問題点に鑑み、酸性やアルカリ性の薬剤を使わないでイオン交換体を再生し、その再生にかかる時間を短くすることができる電気式脱イオン水製造装置の運転方法、及び該電気式脱イオン水製造装置を備えた純水製造システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様は、脱塩水を製造する電気式脱イオン水製造装置の運転方法に係る。電気式脱イオン水製造装置は、対向する陰極および陽極と、陰極と陽極の間にイオン交換膜で画成され、イオン交換体が充填された脱塩室と、を有する装置である。さらに、本態様の運転方法は、脱塩水を製造する脱塩水製造工程と、イオン交換体の電気再生を行うイオン交換体再生工程とを有し、イオン交換体再生工程は、電気式脱イオン水製造装置に供給される水に二酸化炭素または炭酸水を注入する工程を含むことを特徴とする。ここで、「炭酸水」は二酸化炭素を溶解させた水であり、二酸化炭素溶解水ともいう。

また、本発明の他の態様は、上記態様の電気式脱イオン水製造装置と、電気式脱イオン水製造装置に供給される水に二酸化炭素または炭酸水を注入する手段と、を備え、電気式脱イオン水製造装置の入口と出口にそれぞれ給水ラインが接続され、出口に接続された給水ラインは、入口に接続された給水ラインに電気式脱イオン水製造装置で製造された脱塩水を戻す循環ラインを備えており、二酸化炭素または炭酸水を注入する手段は、イオン交換体の電気再生が行われる際に、循環ラインを通じて電気式脱イオン水製造装置に供給される脱塩水に二酸化炭素または炭酸水を注入することを特徴とする、純水製造システムを提供する。

上記の各態様では、運転中の電気式脱イオン水製造装置に供給される水に二酸化炭素または炭酸水を注入することにより、イオン交換体の再生を実施している。陰極と陽極の間を通電している状態で二酸化炭素または炭酸水を注入すると、アニオン交換樹脂に関しては、塩形樹脂の炭酸水素イオンへの変換と、水の解離反応により生じたＯＨ⁻による電気再生とが同時に進行し、これらの相乗的な効果によりイオン交換体の再生が促進される。特にシリカ形のアニオン交換樹脂は電気抵抗が高く、通常の電気再生では再生しがたい傾向があるが、炭酸にて炭酸水素イオン形に変換すると電気抵抗が下がり、電気による再生が進み易くなる。一方、カチオン交換樹脂に関しては、炭酸（Ｈ_２ＣＯ_３）の解離にて生成されたＨ^＋による再生と、水の解離反応により生じたＨ^＋による電気再生とが同時に進行し、効率よく再生運転を行うことが可能となる。したがって、アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の両方の再生を同時に進めることができ、特に脱塩室内に混床タイプのイオン交換体が充填されている場合に再生時間を短縮することができる。
また、水に対してある程度以上の二酸化炭素の溶解が進行すると、水中の炭酸は水がｐＨ４以下では中性分子として存在するようになるため、酸性やアルカリ性の薬剤を使った再生のようにｐＨが危険な領域になることもない。

したがって本発明によれば、電気式脱イオン水製造装置に供給する被処理水に二酸化炭素または炭酸水を注入することにより、酸性やアルカリ性の薬剤を使わないでイオン交換体を再生でき、該イオン交換体の再生にかかる時間も短くすることができる。

第１の実施形態の純水製造システムを示すブロック図である。 第２の実施形態の純水製造システムを示すブロック図である。 第３の実施形態の純水製造システムを示すブロック図である。 本発明の純水製造システムに備わるＥＤＩの構成例を示す図である。 本発明の純水製造システムに備わるＥＤＩの構成例を示す図である。 イオン交換体の再生に関して炭酸ガス注入の有無による効果を示すグラフである。 イオン交換体の再生に関して炭酸濃度の違いによる効果を示すグラフである。 イオン交換体の再生に関して炭酸ガス注入中のＥＤＩ電流値の違いによる効果を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態の純水製造システムを示すブロック図である。この図を参照すると、第１の実施形態の純水製造システム１は、ＥＤＩ（電気式脱イオン水製造装置）２と、被処理水を貯留するタンク３と、二酸化炭素ＣＯ_２（以下、炭酸ガスと呼ぶ。）が充填された炭酸ガスボンベ４とを備える。タンク３には、被処理水を供給する第１の給水ライン５が接続されている。ＥＤＩ２の入口は第２の給水ライン６によってタンク３と接続されている。第２の給水ライン６上にはポンプ７が配置されている。ＥＤＩ２の出口に第３の給水ライン８が接続されており、ＥＤＩ２で製造される脱塩水（処理水）は第３の給水ライン８によって不図示のユースポイントへ供給される。

さらに、第３の給水ライン８から処理水戻しライン（循環ライン）９が分岐して延び、タンク３の上部に接続されている。処理水戻しライン９上にガス溶解部１０が設置されている。ガス溶解部１０にはガス注入ライン１１を介して炭酸ガスボンベ４が接続されている。ガス注入ライン１１上には流量計１２が設置されている。

なお、後に詳述するが、ＥＤＩ２は、対向する陰極と陽極との間に少なくとも１つの脱塩処理部が設けられた装置であり、脱塩処理部は、イオン交換体が充填された脱塩室と、脱塩室の両隣に設けられるとともに、必要に応じてイオン交換体が充填された一対の濃縮室とから構成されている（図４，５参照）。

次に、本実施形態の純水製造システムの動作について説明する。本実施形態の純水製造システムは、脱塩水を製造する脱塩水製造工程と、イオン交換体の電気再生を行うイオン交換体再生工程とを実施できる。脱塩水製造工程では、ＥＤＩ２とポンプ７を作動し、被処理水を第１の給水ライン５によってタンク３内に貯めつつ、ポンプ７によって定量の被処理水をＥＤＩ２に供給する。作動中のＥＤＩ２では被処理水の通水方向と交差する方向に電流が流れており、脱塩室において被処理水の脱塩処理が行なわれる。この脱塩処理された被処理水は脱塩水（処理水）として、第３の給水ライン８により不図示のユースポイントに供給されることとなる。

一方、脱塩水製造工程が所定の期間（時間）を超えた場合、イオン交換体再生工程へ切替えられる。この切替え時機は、ＥＤＩ２の脱塩室内に充填されているイオン交換体の塩形の割合が増え、処理水の水質低下や脱塩処理にかかる電圧の上昇などを引き起こす前に設定されるとよい。
イオン交換体再生工程では、ＥＤＩ２から第３の給水ライン８に流出する処理水の流れを処理水戻しライン９の方に切り替え、ガス溶解部１０に向かわせる。さらに、炭酸ガスボンベ４の炭酸ガス（ＣＯ_２）をガス注入ライン１１に流入し、流量計１２で炭酸ガス流量を一定に調節しながらガス溶解部１０内に注入する。これにより、処理水戻しライン９を通ってタンク３に向かう処理水に炭酸ガスが加えられる。炭酸ガスは水に溶解しやすいため、タンク３に入る処理水中の炭酸ガス濃度は高くなる。二酸化炭素が溶解した処理水（炭酸水、または二酸化炭素溶解水ともいう。）はＥＤＩ２に送られ、ＥＤＩ２を通過した処理水は処理水戻しライン９によって再びタンク３に戻るように循環する。この循環の間ＥＤＩ２は作動している、つまり、脱塩水製造工程と同じように被処理水の通水方向と交差する方向に電流が流れている。

処理水に炭酸ガスを注入して得られる炭酸水は水のｐＨにより炭酸水素イオンの溶解量が変動し、水に対してある程度以上の炭酸ガスの溶解が進行すると、炭酸成分（Ｈ_２ＣＯ_３）は中性分子として存在する。言い換えると、炭酸は水がｐＨ４以下では中性分子として存在し、炭酸ガスの溶解が進んでもｐＨが作業員にとって危険な領域になることはない。また、炭酸ガスはボンベ４にて持ち運びが可能であり、イオン交換体の再生の際にこれまで必要としていた、薬液注入用のポンプや、薬液調整用のタンク、薬剤などの準備の必要がない。よって、容易に実施することが可能であり、場合によっては設備の一部として組み込むことも可能である。

ＥＤＩ２の脱塩室内に混床タイプのイオン交換体が充填されている前提で説明するが、炭酸が解離することにより生成される炭酸水素イオンは他のアニオン成分に比較して、アニオン交換樹脂への選択性が低い。選択性が低いということは、言い換えると、炭酸水素イオン形アニオン交換樹脂は再生剤にてＯＨ⁻形に再生されやすいことを意味している。
さらに、炭酸が水中で解離して炭酸水素イオンが生成されると、対イオンとして水素イオンＨ^＋が生成される。このＨ^＋はカチオン交換樹脂の再生剤として働き、カチオン交換樹脂の再生が促進される。
したがって、上記イオン交換体再生工程にて炭酸ガスの注入を実施すると、脱塩室内のアニオン交換樹脂に関しては、塩形樹脂の炭酸水素イオンへの変換と、水の解離反応により生じたＯＨ⁻による電気再生とが同時に進行し、これらの相乗的な効果によりイオン交換体の再生を促進することが可能である。特にシリカ形のアニオン交換樹脂は電気抵抗が高く、通常の電気再生では再生しがたい傾向があるが、炭酸にて炭酸水素イオン形に変換すると電気抵抗が下がり、電気による再生が進み易くなる。一方、脱塩室内のカチオン交換樹脂に関しては、炭酸の解離にて生成されたＨ^＋による再生と、水の解離反応により生じたＨ^＋による電気再生とが同時に進行し、効率よく再生運転を行うことが可能となる。
以上のことから、炭酸ガスを用いたＥＤＩ２の再生運転はアニオン交換樹脂の再生とカチオン交換樹脂の再生を同時に進めることが可能である。結果、ＥＤＩ２の脱塩室内に充填されている混床タイプのイオン交換体の再生にかかる時間、ならびに再生後の水質立ち上がりにかかる時間を短くすることができる。

（第２の実施形態）
図２は本発明の第２の実施形態の純水製造システムを示すブロック図である。ここでは、第１の実施形態と同一の構成要素については同一符号を用いて説明する。
図２を参照すると、第１の実施形態と比べてＥＤＩ２の前段側に相当する第２の給水ライン６上にＲＯ膜分離装置１３が設置されている。さらに、ガス溶解部１０が処理水戻しライン９（循環ライン）上に設置されているのではなく、第２の給水ライン６上に配置されている。

第２の実施形態の純水製造システム１においても脱塩水製造工程とイオン交換体再生工程とを実施可能である。脱塩水製造工程では、ＥＤＩ２とポンプ７を作動し、被処理水を第１の給水ライン５によってタンク３内に貯めつつ、ポンプ７によって定量の被処理水をＥＤＩ２に供給し、脱塩室において被処理水の脱塩処理を行う。この脱塩処理された被処理水は脱塩水（処理水）として、第３の給水ライン８で不図示のユースポイントなどへ送られる。

一方、上記の脱塩水製造工程が所望の時機にイオン交換体再生工程へ切替えられる。イオン交換体再生工程では、ＥＤＩ２から第３の給水ライン８に流出する処理水の流れを処理水戻しライン９の方に切り替え、タンク３に向かわせる。さらに、炭酸ガスボンベ４の炭酸ガス（ＣＯ_２）をガス注入ライン１１に流入し、流量計１２でガス流量を一定に調節しながら、第２の給水ライン６上のガス溶解部１０内に注入する。これにより、処理水戻しライン９を通ってタンク３に戻り、再びＥＤＩ２に向かう処理水に炭酸ガスが加えられる。炭酸ガスは水に溶解しやすいため、ＥＤＩ２に向かう処理水中の炭酸ガス濃度は高くなる。二酸化炭素が溶解した処理水（炭酸水）はＥＤＩ２に送られ、ＥＤＩ２を通過した処理水は処理水戻しライン９によって再びタンク３に戻るように循環する。この循環の間、ＥＤＩ２は作動している、つまり、脱塩水製造工程と同じように被処理水の通水方向と交差する方向に電流が流れている。
このようなイオン交換体再生工程では、第１の実施形態と同じように、アニオン交換樹脂の再生とカチオン交換樹脂の再生を同時に進めることが可能である。このため、ＥＤＩ２の脱塩室内に充填されている混床タイプのイオン交換体の再生にかかる時間、ならびに再生後の水質立ち上がりにかかる時間を短くすることができる。

（第３の実施形態）
図３は本発明の第３の実施形態の純水製造システムを示すブロック図である。ここでは、第１の実施形態と同一の構成要素については同一符号を用いて説明する。
図３を参照すると、本実施形態は、第１の実施形態と比べてＥＤＩ２の前段側に相当する第２の給水ライン６上にＲＯ膜分離装置１３が設置されている点が異なるだけである。ＲＯ膜分離装置１３はイオン化している成分に関しては分離除去されるが、イオン化していない炭酸成分（Ｈ_２ＣＯ_３）に関しては除去されずにＲＯ透過水中に透過する。

（その他の実施形態）
なお、本発明は、上述した第１乃至第３の実施形態に限定されず、ＥＤＩ２のみを単独にて運転してもよいし、第２及び第３の実施形態のようにＥＤＩ２とその前段に設置されているＲＯ膜分離装置１３などの前処理装置を連動させて運転させてもよい。

また、上述した各実施形態では、ＥＤＩ２の通常運転中（脱塩水製造工程中）、処理水の水質（例えば比抵抗値）やＥＤＩ２にかける電圧値を監視し、これらの値に基づき、炭酸ガス注入によるイオン交換体再生工程に切り替えてもよい。あるいは、ＥＤＩ２の後段にて採水要求がある際には通常の運転（脱塩水製造工程）を実施し、採水要求がない場合には、ＥＤＩ２の処理水をＥＤＩ２の前段側に戻して循環させる循環運転を行い、この循環運転の際に処理水に炭酸ガスを注入するといったイオン交換体再生工程を行ってもよい。また、ＥＤＩ２に供給される水への炭酸ガス添加は、通常運転時またはイオン交換体の電気再生時のいずれにおいても常時添加してもよいし、電気再生時のみに添加してもよい。
イオン交換体再生工程においては、ＥＤＩ２から排出される濃縮水を処理水と一緒にＥＤＩ２の前段側に戻しても構わない。ＥＤＩ２から出る電極水については電極反応により発生した物質を含むため、排水することが好ましい。

また、ＥＤＩ２に供給される水に炭酸ガスを添加するが、その水としては、ＥＤＩ２の脱塩室に供給される水、ＥＤＩ２の濃縮室に供給される水、ＥＤＩ２の陽極または陰極を収容した電極室に供給される水などがあり、それらのいずれでもよい。特に濃縮室にイオン交換体を充填している装置においては、濃縮室に供給する水に炭酸ガスを注入した場合、処理水の水質に悪影響を及ぼさずに電気抵抗を下げることが可能となるので、常時注入しても問題ないという利点がある。
また、炭酸ガスを直接被処理水に添加する以外にも、炭酸ガスを一旦溶解した水（炭酸水）を被処理水に添加してもよい。

さらに、各実施形態では、ＥＤＩ２への供給水に注入される炭酸ガスの量が流量計１２にて管理されている。このとき、炭酸ガスの注入流量Ａ［ｍ^３/ｈ］（normal）がＥＤＩ２へ供給される水の合計流量Ｂ［ｍ^３/ｈ］に対して０．００５〜０．１の比率（＝Ａ／Ｂ）に設定されることが好ましい。また、ＥＤＩ供給水への炭酸ガス注入量はｐＨにて管理されてもよい。さらに、炭酸ガスの注入点には、炭酸ガスの気泡を小さくして炭酸ガスの溶解効率を上げる手段を有することが好ましい。

また、上述した各実施形態におけるＥＤＩ２の構成については、図４又は図５に示すような構成をとることができる。
図４の構成例によれば、ＥＤＩ２は、脱塩室Ｄと脱塩室Ｄの両側に配置された一対の濃縮室Ｃ１，Ｃ２とを有する脱塩処理部と、一方の濃縮室Ｃ１の外側に配置された陽極室Ｅ１と、他方の濃縮室Ｃ２の外側に配置された陰極室Ｅ２とを有する。濃縮室Ｃ１，Ｃ２内にはアニオン交換樹脂が充填されている。脱塩室Ｄは、対向配置されたアニオン交換膜ＡＥＭおよびカチオン交換膜ＣＥＭと、アニオン交換膜ＡＥＭとカチオン交換膜ＣＥＭの間に充填された混床タイプのイオン交換体（アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂を混合したもの）とを有する。なお、本例では濃縮室に充填したイオン交換体をアニオン交換樹脂の単床、脱塩室に充填したイオン交換体を混床タイプとするが、それぞれ混床でも複層床でも単床のいずれのタイプでも本発明に使用可能である。

陰極室Ｅ２には陰極が収容されている。陰極は金属の網状体あるいは板状体からなっており、例えばステンレス製の網状体あるいは板状体を用いることができる。陽極室Ｅ１には陽極が収容されている。陽極は金属の網状体あるいは板状体からなっている。被処理水にＣｌ⁻を含む場合、陽極に塩素が発生する。このため、陽極には耐塩素性能を有する材料を用いることが望ましく、一例として、白金、パラジウム、イリジウム等の金属、あるいはチタンをこれらの金属で被覆した材料が挙げられる。

図４に示したＥＤＩ２によって脱塩水（処理水）を製造するには、陽極室Ｅ１および陰極室Ｅ２にそれぞれ設けられている電極間に直流電圧を印加した状態で給水ライン６より脱塩室Ｄに被処理水を通水させる。脱塩室Ｄでは、アニオン交換樹脂によってアニオン成分（Ｃｌ⁻、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ⁻、ＳｉＯ_２等）が、カチオン交換樹脂によってカチオン成分（Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋等）が捕捉される。同時に、脱塩室Ｄ内のアニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂の界面で水の解離反応が起こり、水素イオン（Ｈ^＋）と水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が発生する。カチオン交換樹脂及びアニオン交換樹脂といったイオン交換体に捕捉されたイオン成分は、水素イオン及び水酸化物イオンと交換されてイオン交換体から遊離する。遊離したイオン成分はイオン交換体を伝ってイオン交換膜（アニオン交換膜ＡＥＭまたはカチオン交換膜ＣＥＭ）まで電気泳動し、イオン交換膜で電気透析されて濃縮室Ｃ１，Ｃ２内へ移動する。濃縮室Ｃ１，Ｃ２内に移動したイオン成分は、濃縮室Ｃ１，Ｃ２を流れる濃縮水によって排出される。この濃縮水としては給水ライン６の被処理水が利用可能である。
以上のように直流電圧が印加された状態の脱塩室Ｄを通過した被処理水は脱塩水（処理水）となり、給水ライン８により不図示のユースポイントに送られる。
なお、図４の構成例ではＥＤＩ２が単一の脱塩室Ｄを有するが、ＥＤＩ２は、図４に示した配置で積層された脱塩室Ｄと濃縮室Ｃ１からなる複数個のユニットを、濃縮室Ｃ２と陽極室Ｅ１の間に電流電圧の印加方向に積層したものであってもよい。

また、図５の構成例によれば、脱塩室Ｄは二つの小脱塩室に仕切られている。具体的には、脱塩室Ｄは、第１の濃縮室Ｃ１に隣接している第１小脱塩室Ｄ１と、第２の濃縮室Ｃ２に隣接している第２小脱塩室Ｄ２とに仕切られている。具体的には、陰極室Ｅ２は、アニオン交換膜ＡＥＭを介して第２の濃縮室Ｃ２に隣接し、第２の濃縮室Ｃ２は、カチオン交換膜ＣＥＭを介して第２小脱塩室Ｄ２と隣接している。第２小脱塩室Ｄ２は、アニオン交換膜ＡＥＭを介して第１小脱塩室Ｄ１と隣接し、第１の濃縮室Ｃ１は、アニオン交換膜ＡＥＭを介して第１小脱塩室Ｄ１と隣接し、陽極室Ｅ１は、カチオン交換膜ＣＥＭを介して第１の濃縮室Ｃ１と隣接している。
本明細書では、上記複数のイオン交換膜のうち、脱塩室Ｄを第１小脱塩室Ｄ１と第２脱塩室Ｄ２とに仕切っているアニオン交換膜ＡＥＭを「中間イオン交換膜」と呼んで他のイオン交換膜と区別する。中間イオン交換膜は所望される性能に応じてカチオン交換膜やバイポーラ膜などに変更してもよい。

さらに図５において、第１小脱塩室Ｄ１には、アニオン交換樹脂が単床形態で充填されている。第２小脱塩室Ｄ２には、混床タイプのイオン交換体（アニオン交換樹脂とカチオン交換樹脂を混合したもの）が充填されている。なお、本例では第１小脱塩室Ｄ１と第２小脱塩室Ｄ２に充填したイオン交換体をそれぞれ単床と混床タイプとするが、それぞれ混床でも複層床でも単床のいずれのタイプでも使用可能である。
ここで、図５に示すＥＤＩ２における被処理水および濃縮水の主な流れについて予め概説する。被処理水は、給水ライン６により第１小脱塩室Ｄ１へ供給され、第１小脱塩室Ｄ１を通過する。第１小脱塩室Ｄ１を通過した被処理水は、流路Ｌ１によって第２小脱塩室Ｄ２に供給され、第２小脱塩室Ｄ２を通過した後に給水ライン８に排出される。一方、濃縮水は、第１の濃縮室Ｃ１および第２の濃縮室Ｃ２にそれぞれ並列的に供給され、濃縮室Ｃ１，Ｃ２を通過して流路Ｌ２に排出される。なお、図示は省略されているが、陰極室Ｅ２および陽極室Ｅ１には、電極水を供給するための流路と供給された電極水を排出するための流路がそれぞれ接続されている。なお、本例では第１小脱塩室Ｄ１を通過した被処理水を第２小脱塩室Ｄ２へ供給しているが、第２小脱塩室Ｄ２を通過した被処理水を第１小脱塩室Ｄ１へ供給してもよい。

次に、図５に示した構成例のＥＤＩ２の動作について説明する。
陽極室Ｅ１の陽極と陰極室Ｅ２の陰極の間に所定の直流電圧が印加される。この通電状態の下で、給水ライン６から第１小脱塩室Ｄ１に被処理水が供給される。供給された被処理水中のアニオン成分（Ｃｌ⁻、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ⁻、ＳｉＯ_２等）は、被処理水が第１小脱塩室Ｄ１を通過する過程で捕捉される。そして、第１小脱塩室Ｄ１において捕捉されたアニオン成分は、第１小脱塩室Ｄ１とこれに隣接するアニオン交換膜ＡＥＭを介して第１の濃縮室Ｃ１へ移動し、第１の濃縮室Ｃ１を通水する濃縮水と共に流路Ｌ２に排出される。
次に、第１小脱塩室Ｄ１を通過した被処理水は、流路Ｌ１を介して第２小脱塩室Ｄ２に供給される。ここで、第２小脱塩室Ｄ２には、混床タイプのイオン交換体が充填されている。よって、第２小脱塩室Ｄ２に供給された被処理水については、カチオン交換樹脂で水中のカチオン成分（Ｎａ^＋、Ｃａ^２＋、Ｍｇ^２＋等）が捕捉される。当該カチオン交換樹脂に捕捉されたカチオン成分は、第２小脱塩室Ｄ２とカチオン交換膜ＣＥＭを介して隣接する第２の濃縮室Ｃ２へ移動し、第２の濃縮室Ｃ２を通水する濃縮水と共に流路Ｌ２に排出される。
さらに、第２小脱塩室Ｄ２を通過する被処理水中に残存するアニオン成分（Ｃｌ⁻、ＣＯ_３ ^２−、ＨＣＯ_３ ⁻、ＳｉＯ_２等）は、アニオン交換樹脂に捕捉される。第２小脱塩室Ｄ２のアニオン交換樹脂に捕捉されたアニオン成分は、第２小脱塩室Ｄ２と中間イオン交換膜ＡＥＭを介して隣接する第１小脱塩室Ｄ１へ移動する。第１小脱塩室Ｄ１へ移動したアニオン成分は、第１小脱塩室Ｄ１とアニオン交換膜ＡＥＭを介して隣接する第１の濃縮室Ｃ１へ移動し、第１の濃縮室Ｃ１を通水する濃縮水と共に流路Ｌ２に排出される。
以上のように図５の構成例は、図４の構成例と比べて高い脱塩処理能を有している。

次に、炭酸ガスを用いたイオン交換体の再生効果について検証した結果を説明する。この検証を行う際、図２に示した純水製造システム１を使用した。
（実施例１）
実施例１では、２４時間の脱塩水製造工程毎に１２時間のイオン交換体再生工程を行なった。即ち、ＥＤＩ２の処理水に炭酸ガスを注入して得られる炭酸水を稼働中（通電時）のＥＤＩ２に通水することを繰り返す循環工程を２４時間の脱塩水製造工程の後に１２時間実施し、これを繰り返した。

図２に示すように、ＥＤＩ２の前段の給水ライン６においてＲＯ膜分離装置１３を透過した水（ＲＯ透過水）における炭酸濃度を測定する。
脱塩水製造工程では、ＲＯ透過水の炭酸濃度に関し、全炭酸（遊離二酸化炭素、炭酸水素イオン、及び炭酸イオンの合計）の濃度が３ｍｇＣＯ_２／Ｌになるように調整された。また、ＥＤＩ２の稼働中（通電時）の電流値は１．５Ａに設定された。
イオン交換体再生工程では、ＲＯ透過水の炭酸濃度に関し、全炭酸濃度が１５ｍｇＣＯ_２／Ｌになるように調整され、ＥＤＩ２の稼働中（通電時）の電流値は２．５Ａに設定された。
このような条件で、上記のように実施例１を行い、ＥＤＩ２による処理水の水質とＥＤＩ２で消費される電圧とを監視した。また、脱塩水製造工程のみを実施して実施例１の結果と比較した。図６の（ａ），（ｂ）がそれぞれ実施例１と比較例に基づく処理水質とＥＤＩの電圧を示すグラフである。
図６の（ａ），（ｂ）から分かるように、比較例と比べて、実施例１のように所定時間の脱塩水製造工程の後に循環工程を実施した方が、電圧が低い状態にてＥＤＩ２を運転でき、処理水質も安定して推移した。

（実施例２）
実施例２においても、実施例１と同様に、２４時間の脱塩水製造工程毎に１２時間のイオン交換体再生工程を行なった。特に実施例２では、イオン交換体再生工程において、ＥＤＩ２の処理水に注入する炭酸ガスの量を流量計１２で調節することで、ＥＤＩ２に供給するＲＯ透過水の炭酸濃度を変更し、このときのＥＤＩ２の電圧とその経時変化を確認した。
具体的には、脱塩水製造工程では、実施例１と同じように、ＲＯ透過水の炭酸濃度に関して全炭酸濃度が３ｍｇＣＯ_２／Ｌになるように調整された。また、ＥＤＩ２の運転時の電流値は１．５Ａに設定された。
２４時間の脱塩水製造工程の後に実施したイオン交換体再生工程では、ＥＤＩ２の運転時の電流値は１．５Ａに設定され、ＲＯ透過水の炭酸濃度に関して、全炭酸濃度が所定の値になるように調整された。この値を本実施例では５、１５、３０、または５０[ｍｇＣＯ_２／Ｌ]に変更してＥＤＩ２の電圧を監視した。図７が注入炭酸濃度の違いによるＥＤＩ２の電圧の推移を示したグラフである。
図７に示すように、脱塩水製造工程の時よりもＲＯ透過水の炭酸濃度を高くするほど、炭酸ガス注入後のＥＤＩ２の消費電圧を低くできることが分かる。
さらに、図７から分かるように全炭酸濃度が３０ｍｇＣＯ_２／Ｌの場合と５０ｍｇＣＯ_２／Ｌの場合では、ＥＤＩ２の電圧の低減量にあまり差がなかった。したがって、イオン交換体再生工程での炭酸濃度の設定値の上限に関しては、純水製造システム１の設計仕様においてＥＤＩ２の電圧低減が期待できる値を見極めて決めればよい。

（実施例３）
実施例３においても、実施例１と同様に、２４時間の脱塩水製造工程毎に１２時間のイオン交換体再生工程を行なった。実施例１のイオン交換体再生工程ではＥＤＩ２の電流値を２．５Ａに設定していたが、実施例３では、ＥＤＩ２の再生運転中の電流値を１．５Ａに設定した。その他の条件については実施例１と同じである。
上記のように実施例３を行い、ＥＤＩ２による処理水の水質とＥＤＩ２で消費される電圧とを監視した。図８の（ａ），（ｂ）がそれぞれ実施例１と実施例３に基づく処理水質とＥＤＩの電圧を示すグラフである。
図８の（ａ），（ｂ）によれば、実施例３と比べて、実施例１のようにＥＤＩ２の再生運転中の電流値を高くした方が、脱塩水製造工程後の処理水質が安定し、またＥＤＩ２の電圧の低減量が若干大きいことが分かる。
以上の実施例１〜３により、炭酸ガスを用いたイオン交換体の再生効果について検証した結果、ＥＤＩ２へ供給する水の炭酸濃度を通常の脱塩水製造時よりも高くし、さらに好ましくはＥＤＩ２に通電する電流値も上げるとよい。

１ 純水製造システム
２ ＥＤＩ
３ タンク
４ 炭酸ガスボンベ
５ 第１の給水ライン
６ 第２の給水ライン
７ ポンプ
８ 第３の給水ライン
９ 処理水戻しライン（循環ライン）
１０ ガス溶解部
１１ ガス注入ライン
１２ 流量計
１３ ＲＯ膜分離装置

Claims (7)

1. 対向する陰極および陽極と、前記陰極と前記陽極の間にイオン交換膜で画成され、イオン交換体が充填された脱塩室と、を有する脱塩水を製造する電気式脱イオン水製造装置の運転方法であって、
   前記脱塩水を製造する脱塩水製造工程と、前記イオン交換体の電気再生を行うイオン交換体再生工程とを有し、
   前記イオン交換体再生工程は、前記電気式脱イオン水製造装置に供給される水に二酸化炭素または炭酸水を注入する工程を含む、電気式脱イオン水製造装置の運転方法。
2. 請求項１に記載の電気式脱イオン水製造装置の運転方法において、
   前記電気式脱イオン水製造装置に供給される水における全炭酸濃度が５［ｍｇＣＯ_２／Ｌ］以上になるように、該水に注入する前記二酸化炭素または炭酸水を調整することを特徴とする電気式脱イオン水製造装置の運転方法。
3. 請求項１または２に記載の電気式脱イオン水製造装置の運転方法において、
   前記イオン交換体の電気再生時に前記電気式脱イオン水製造装置に通電される電流値を、前記脱塩水を製造する時に前記電気式脱イオン水製造装置に通電される電流値よりも高くすることを特徴とする電気式脱イオン水製造装置の運転方法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の電気式脱イオン水製造装置の運転方法において、
   前記イオン交換体再生工程は、
   前記電気式脱イオン水製造装置の入口に接続された給水ラインに前記電気式脱イオン水製造装置で製造された脱塩水を戻す循環工程を含み、該循環工程にて前記電気式脱イオン水製造装置に供給される水に前記二酸化炭素または炭酸水を注入する、電気式脱イオン水製造装置の運転方法。
5. 対向する陰極および陽極と、前記陰極と前記陽極の間にイオン交換膜で画成され、イオン交換体が充填された脱塩室と、を有する脱塩水を製造する電気式脱イオン水製造装置と、
   前記電気式脱イオン水製造装置に供給される水に二酸化炭素または炭酸水を注入する手段と、を備え、
   前記電気式脱イオン水製造装置の入口と出口にそれぞれ給水ラインが接続され、
   前記出口に接続された給水ラインは、前記入口に接続された給水ラインに前記電気式脱イオン水製造装置で製造された脱塩水を戻す循環ラインを備えており、
   前記二酸化炭素または炭酸水を注入する手段は、前記イオン交換体の電気再生が行われる際に、前記循環ラインを通じて前記電気式脱イオン水製造装置に供給される前記脱塩水に前記二酸化炭素または炭酸水を注入することを特徴とする、純水製造システム。
6. 請求項５に記載の純水製造システムにおいて、
   前記電気式脱イオン水製造装置に供給される水における全炭酸濃度が５［ｍｇＣＯ_２／Ｌ］以上になるように、該水に注入する前記二酸化炭素または炭酸水が調整されることを特徴とする純水製造システム。
7. 請求項５または６に記載の純水製造システムにおいて、
   被処理水を貯留するタンクを有し、
   前記循環ラインと前記入口に接続された給水ラインは前記タンクを介して互いに接続されていることを特徴とする純水製造システム。

Images